小學(xué)科學(xué)類比推理的教學(xué)策略

朱曉倫

【摘 要】類比推理是適合小學(xué)生在科學(xué)探究實踐中獲取科學(xué)知識的重要思維方法，廣泛運(yùn)用于日常生活與科學(xué)研究中。以《地球——水的星球》為例，教師可運(yùn)用類比推理的思維方法，評估證據(jù)與解釋之間的關(guān)系的可靠性，幫助學(xué)生建構(gòu)“地球表面的水體類型、海陸關(guān)系與水對生命的意義”等知識，讓學(xué)生認(rèn)識到“地球是所有生命共同的家園”，實現(xiàn)科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；類比推理；類比評估；科學(xué)思維

在學(xué)習(xí)地球與宇宙的相關(guān)知識時，由于觀察障礙較大、實際體驗缺乏、空間想象力較弱等問題，學(xué)生很難在頭腦中建立“宇宙中的地球、地球系統(tǒng)、人類活動與環(huán)境”等核心概念。對此，教師可以采用類比推理的思維方法，幫助學(xué)生借助已知的個別事物認(rèn)識地球等星體的特征，擴(kuò)大認(rèn)知領(lǐng)域。

一、類比推理的概念、類型與教學(xué)結(jié)構(gòu)

（一）類比推理的概念

類比推理，即運(yùn)用類比的思維方法進(jìn)行推理，借助某些已知的個別事物，與其他相似的事物進(jìn)行比較，從它們之間已知的共同點出發(fā)，進(jìn)一步判明它們另一些方面的共同點，從而擴(kuò)大人們的認(rèn)知領(lǐng)域，從對某些事物的認(rèn)識過渡到對另一些特殊事物的認(rèn)識［1］。類比推理在兩個事物間進(jìn)行，作為對比的對象稱為對比物，根據(jù)對比物的剩余屬性被賦予新屬性的事物稱為類比物［2］，這也是類比推理的基礎(chǔ)。

（二）類比推理的類型

根據(jù)所涉及的關(guān)系，類比推理主要分為三種類型：屬性類比、結(jié)構(gòu)類比和實質(zhì)類比。屬性類比是水平關(guān)系上的類比，其推理形式如下：A對象具有性質(zhì)a、b、c、d，B對象具有性質(zhì)a、b、c，所以B對象也具有性質(zhì)d。屬性類比又分為正類比、負(fù)類比和中性類比。結(jié)構(gòu)類比主要是指垂直關(guān)系上的類比，也稱關(guān)系類比，它的公式是：A系統(tǒng)具有關(guān)系R1、R2、R3、R4，B系統(tǒng)具有關(guān)系R1、R2、R3，所以B系統(tǒng)也具有關(guān)系R4。結(jié)構(gòu)類比分為因果類比、并存類比、協(xié)變類比和對稱類比。實質(zhì)類比則是建立在屬性類比的基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)類比。

（三）類比推理的教學(xué)結(jié)構(gòu)

類比推理的教學(xué)分為五個階段：第一階段，選擇對比物和類比物，體驗感知，積累豐富表象；第二階段，挖掘?qū)Ρ任锖皖惐任镏g的相似屬性或?qū)傩灾g的關(guān)系；第三階段，確定類比關(guān)系的性質(zhì)與特征，判斷類比推理的種類；第四階段，遵循類比規(guī)則，得出結(jié)論；第五階段，搜尋更多證據(jù)支撐，評估類比推理的準(zhǔn)確性，如圖1。

二、類比推理教學(xué)的邏輯與思維方法

以《地球——水的星球》一課為例，本課的教學(xué)在于落實跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型、物質(zhì)與能量”與核心概念“宇宙中的地球、地球系統(tǒng)、人類活動與環(huán)境”，圍繞核心問題“地球與太陽、月球相比有哪些獨(dú)特的地方”，對地球上的水進(jìn)行探索，在學(xué)習(xí)中體悟和感受“地球是所有生命共同的家園”。

本課承接《地球的形狀》一課，目標(biāo)是利用圖片、模型、地圖等結(jié)構(gòu)性學(xué)習(xí)材料，比較太陽、月球和地球的異同點。課堂教學(xué)以“問題鏈”與“活動鏈”雙鏈為驅(qū)動展開，四個活動環(huán)節(jié)均運(yùn)用了類比推理的思維方法（如圖2）。

教學(xué)伊始，筆者先點明核心問題“地球和太陽、月球相比有哪些獨(dú)特的地方”，對應(yīng)活動1的“三球類比”，引導(dǎo)學(xué)生類比太陽和月球，對地球的表面情況進(jìn)行分析，最后概括三者的異同。延伸問題1“怎么證明地球是水的星球”和延伸問題2“地球上的水資源豐富，為什么要節(jié)約用水”旨在引導(dǎo)學(xué)生深入研究地球表面的水體類型和海陸關(guān)系，讓學(xué)生運(yùn)用分析、綜合、類比等思維方法，借助從地球模型和平面地圖上獲取的信息和數(shù)據(jù)，概括地球海陸關(guān)系的特點，樹立保護(hù)水資源與地球家園的意識。拓展問題“銀河系中是否存在地球以外的有生命的星球”則指向“外太空探索”。

類比推理所得到的結(jié)果本身具有或然性［3］，需要對對比物與類比物的已知共有屬性和新屬性進(jìn)行評估與質(zhì)疑，并搜集更多證據(jù)來佐證，體現(xiàn)類比推理的嚴(yán)謹(jǐn)性。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)中類比推理的教學(xué)策略

（一）三球類比——屬性類比

在“聚焦”部分，學(xué)生已經(jīng)了解了太陽和月球的一些特征。筆者從太陽、月球和地球之間的水平關(guān)系（三者之間存在的同一性、差異性或相似性）展開，運(yùn)用屬性類比中的中性類比進(jìn)行教學(xué)。筆者同時展示太陽、月球和地球的照片，推動學(xué)生展開屬性推理。學(xué)生從顏色、溫度、形狀、發(fā)光情況、表面有什么等多個方面進(jìn)行比較。

為了將思維外化，筆者引導(dǎo)學(xué)生在原有的韋恩圖中添加新的圓圈，將表示兩者關(guān)系的韋恩圖拓展為表示三者關(guān)系的韋恩圖（如圖3），用來比較太陽、月球、地球三者之間的異同。

（二）比較海洋與陸地面積大小——結(jié)構(gòu)類比

比較海洋與陸地面積大小存在兩個技術(shù)難點：①學(xué)生不會在球面上進(jìn)行測量；②學(xué)生難以對海洋和陸地這種不規(guī)則圖形進(jìn)行測量。對此，教師可以借助類比推理加以突破。

1.提供對比物，奠定類比推理的基礎(chǔ)

對經(jīng)驗表象較為缺乏的小學(xué)生來說，前期對比物的鋪墊是十分重要的。教師要幫助學(xué)生完成“立體地球儀—平面地圖”的轉(zhuǎn)化，具體可以借鑒數(shù)學(xué)中圓的面積公式[S=πr2]的推導(dǎo)方法，將地球儀模型的表面展開，形成展開圖，再將其轉(zhuǎn)化成合在一起的燈籠形地圖，最終形成長方形地圖（如圖4）。

【教學(xué)片段1】

教師出示長方形、五邊形和六邊形三個圖形。

師：請同學(xué)們仔細(xì)觀察，比一比，這三個圖形誰的面積大？誰的面積??？

生：把圖形里小格子的數(shù)量加起來就能代表圖形的面積，格數(shù)多的面積大，格數(shù)少的面積小。

師：用這個方法比較，誰的面積大？誰的面積??？

生：長方形15格，六邊形16格，五邊形27格，所以五邊形面積＞六邊形面積＞長方形面積。

“怎么比較幾何圖形大小”這個簡單問題的解決，為學(xué)生解決復(fù)雜問題奠定了基礎(chǔ)，學(xué)生從中學(xué)到：可以采用類比推理的方式來比較海洋和陸地的面積。此處，類比物即為“海洋”和“陸地塊”，對比物與類比物的共同特征為“均具有面積”，對比物的剩余屬性是“可以利用網(wǎng)格圖中的格子數(shù)比較面積”。因此，筆者在地圖上覆蓋網(wǎng)格，讓學(xué)生展開類比推理。該階段運(yùn)用的類比推理屬于結(jié)構(gòu)類比。

2.討論測算法，實現(xiàn)面積比較的量化

筆者將世界地圖等分為100個小格，每一個小格不是標(biāo)準(zhǔn)的正方形，而是略扁的長方形，便于后面進(jìn)行比較（如圖5）。通過定性觀察，學(xué)生普遍認(rèn)為：陸地面積小、海洋面積大；應(yīng)先數(shù)陸地面積的格數(shù)，海洋面積等于“100－陸地面積格數(shù)”。

由于海洋和陸地并不是規(guī)則圖形，因此還需要確定格子的計數(shù)方法，即陸地面積超過一半算一格，不好判斷時則借助輔助線，簡化活動難度，保證操作的有效性。

【教學(xué)片段2】

師：用什么方式可以數(shù)得又快又準(zhǔn)確？

生：可以先數(shù)陸地面積所占的格子，再數(shù)海洋面積所占的格子，比比誰更多。

師：各數(shù)一遍？（是的）

生：先數(shù)出陸地面積所占的格子數(shù)，再用100減去陸地面積所占的格子數(shù)，這樣就算出了海洋面積所占的格子數(shù)。

師：怎么做到不漏數(shù)呢？（按順序數(shù)）按怎樣的順序？（從左往右，從上往下）

通過討論，學(xué)生對測算法達(dá)成了共識，這是比較地表海陸面積占比的關(guān)鍵。

3.測算海陸塊，認(rèn)識“百份—十份”的轉(zhuǎn)化

學(xué)生先基于前期達(dá)成共識的測算方法確定陸地面積的格數(shù)，再通過“100－陸地面積的格數(shù)”計算出海洋面積的格數(shù)，這時，學(xué)生的測算結(jié)果基本一致。學(xué)生通過數(shù)格子，發(fā)現(xiàn)陸地面積占29格；經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)海洋面積占71格。在得到百分比的關(guān)系后，筆者繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“百份—十份”的轉(zhuǎn)化。如果將地球的一百份轉(zhuǎn)化為十份，那么陸地面積的29格就約為3份，海洋面積的71格就約為7份。

【教學(xué)片段3】

師：我們看黑板上的結(jié)果。這個是陸地面積，這個是海洋面積，從中可以看出什么？

生：海洋的面積明顯大于陸地的面積。

師：如果按照十等份來劃分，數(shù)一數(shù)，看看陸地面積和海洋面積各占幾份？

生：陸地面積3份，海洋面積7份。

師：你能不能得出海洋面積和陸地面積到底是幾比幾？

生：7：3。

4.驗證海陸比，評估類比論證的結(jié)果

類比推理得到的結(jié)論需要尋找更多的證據(jù)來支撐，由此才能對類比結(jié)果進(jìn)行質(zhì)疑、評價、論證，以體現(xiàn)類比推理的嚴(yán)謹(jǐn)性，形成邏輯閉環(huán)。

【教學(xué)片段4】

師：除了數(shù)格子的方式以外，還有沒有其他的方法？

生：還可以把地圖做成拼圖，然后把陸地、海洋一塊塊摳下來，稱一下它們的質(zhì)量，比一比。

師追問：這個方法可行嗎？

生：拼圖都是用同種材料做出來的，所以比質(zhì)量的方法是可行的。

師：海洋和陸地的拼圖質(zhì)量比是多少？（7：3）

通過稱量法，將“面積比較”轉(zhuǎn)化為“質(zhì)量比較”，進(jìn)一步檢驗了海陸面積比的準(zhǔn)確性。筆者還提供了海陸面積的資料卡——陸地和海洋的總面積約為5.1億平方千米，其中海洋面積為3.61億平方千米，約占71%，陸地面積為1.49億平方千米，約占29%。學(xué)生理解了人們常說的“三分陸地，七分海洋”。

（三）水資源與淡水資源——結(jié)構(gòu)類比

通過“比較海陸面積”的探索活動，學(xué)生容易誤認(rèn)為“地球的水資源極其豐富，所以不用節(jié)約用水”。筆者采取結(jié)構(gòu)類比的方式，告訴學(xué)生如果把地球的體積比作一個籃球的話，所有的水集中到一起僅有乒乓球大小，而可直接飲用的淡水資源就只有一粒芝麻大小，進(jìn)而強(qiáng)化“節(jié)約用水、保護(hù)水資源”的意識。

（四）探索太空生命——實質(zhì)類比

“拓展”部分聚焦人類對外太空的探索——銀河系中是否存在地球以外的生命？水是生命之源，“存在水”這一相似性也成為判定“存在生命”的證據(jù)。此處的類比推理屬于實質(zhì)類比，既包含類比物（外太空的星球）與對比物（地球）的同一性、差異性分析，又包含“地球有生命的主要原因是地球有生命之源——水”的因果關(guān)系。若是該星球不具有“存在水”的證據(jù)，那么負(fù)類比的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于正類比，自然就能推出“該星球沒有生命存在”的結(jié)論。反之，則該星球有生命存在的可能性大大增加。這也是“火星上有生命存在的可能性遠(yuǎn)大于月球上有生命存在”的原因。

綜上所述，類比推理是一種論證方法。教師要搭建已知事物與研究對象之間的橋梁，運(yùn)用“豐富表象，夯實類比推理的基礎(chǔ)性；履行程序，凸顯類比推理的嚴(yán)謹(jǐn)性；強(qiáng)化論證，評估類比推理的或然性”的策略，促進(jìn)學(xué)生推理論證能力與創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］周建武.科學(xué)推理：邏輯與科學(xué)思維方法［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020.

［2］葉寶生，王靈華，劉春梅.基于邏輯的小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計［M］.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

［3］王小燕.科學(xué)思維與科學(xué)方法論［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2015.

（浙江省杭州市余杭區(qū)倉前中心小學(xué)）